قطاع القرص

في تخزين البيانات على أقراص الحاسوب ، يُعد القطاع جزءًا من مسار على قرص مغناطيسي أو قرص ضوئي . في معظم الأقراص، يخزن كل قطاع كمية ثابتة من البيانات التي يمكن للمستخدم الوصول إليها، وهي تقليديًا 512 بايت لمحركات الأقراص الصلبة (HDD)، و2048 بايت لأقراص CD-ROM و DVD-ROM و BD-ROM . ^{[ 1 ]} تستخدم محركات الأقراص الصلبة (HDD) ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) الأحدث قطاعات بحجم 4096 بايت (4 كيلوبايت )، وهو ما يُعرف بالتنسيق المتقدم (AF). 

القطاع هو أصغر وحدة تخزين في محرك الأقراص. ^{[ 2 ]} صُممت معظم أنظمة تقسيم الأقراص بحيث تشغل الملفات عددًا صحيحًا من القطاعات بغض النظر عن حجمها الفعلي. أما الملفات التي لا تشغل قطاعًا كاملًا، فيُملأ الجزء المتبقي من قطاعها الأخير بالأصفار. عمليًا، تعمل أنظمة التشغيل عادةً على كتل من البيانات ، والتي قد تمتد عبر قطاعات متعددة. ^{[ 3 ]}

هندسياً، تعني كلمة " قطاع" جزءاً من قرص يقع بين مركز ونصفَي قطر وقوس مطابق (انظر الشكل 1، البند ب)، وهو على شكل شريحة من فطيرة. وبالتالي، يشير " قطاع القرص" (الشكل 1، البند ج) إلى تقاطع مسار وقطاع هندسي .

في محركات الأقراص الحديثة، يتكون كل قطاع فعلي من جزأين أساسيين: منطقة رأس القطاع (وتُسمى عادةً "ID") ومنطقة البيانات. يحتوي رأس القطاع على معلومات يستخدمها محرك الأقراص ووحدة التحكم؛ وتشمل هذه المعلومات بايتات التزامن، وتحديد العنوان ، وعلامة الخلل، ومعلومات اكتشاف الأخطاء وتصحيحها. قد يحتوي الرأس أيضًا على عنوان بديل يُستخدم في حال كان القطاع تالفًا . يُستخدم تحديد العنوان لضمان وضع رأس القراءة/الكتابة في الموقع الصحيح. تحتوي منطقة البيانات على بايتات التزامن، وبيانات المستخدم، ورمز تصحيح الأخطاء (ECC) الذي يُستخدم للتحقق من الأخطاء التي قد تكون قد دخلت في البيانات وتصحيحها إن أمكن.

كان أول محرك أقراص، وهو محرك التخزين IBM 350 الذي طُرح عام 1957 ، يحتوي على عشرة قطاعات، كل قطاع منها يتكون من 100 حرف؛ ويحتوي كل حرف على ستة بتات للبيانات وبتة تكافؤ. وكان عدد القطاعات في كل مسار متطابقًا على جميع أسطح التسجيل. ولم يكن هناك حقل مُعرِّف مُسجَّل (ID) مرتبط بكل قطاع. ^{[ 4 ]}

أدخلت وحدة تخزين الأقراص IBM 1301 لعام 1961 قطاعات ذات أطوال متغيرة، أطلقت عليها IBM اسم السجلات أو السجلات الفيزيائية ، وأضافت إلى كل سجل حقل عنوان منفصل عن البيانات الموجودة فيه. ^{[ 5 ] [ 6 ]} تحتوي جميع محركات الأقراص الحديثة على حقول عناوين قطاعات، تُسمى حقول المعرف، منفصلة عن البيانات الموجودة في القطاع.

في عام 1961 أيضًا، قدمت شركة براينت، من خلال سلسلة 4000، مفهوم التسجيل المُجزأ (ZBR)، الذي يسمح بتغيير عدد القطاعات لكل مسار تبعًا لقطر المسار - حيث يوجد عدد أكبر من القطاعات على المسار الخارجي مقارنةً بالمسار الداخلي. ^{[ 7 ]} في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، استُخدمت تقنية ZBR مجددًا في محركات الأقراص التي أعلنت عنها شركتا إمبريميس وكوانتوم آنذاك. ^{[ 8 ]} وبحلول عام 1997 ، أصبح استخدامها واسع الانتشار في الصناعة. ^{[ 9 ]}

استخدمت محركات الأقراص الصلبة ووحدات التخزين المباشر الأخرى التي أُعلن عنها مع نظام IBM System/360 عام 1964 قطاعات متغيرة الطول ذاتية التهيئة، والتي أطلقت عليها IBM اسم "السجلات " أو "السجلات الفيزيائية ". وكانت هذه الوحدات تكشف الأخطاء في جميع حقول سجلاتها باستخدام فحص التكرار الدوري (CRC)، الذي حل محل فحص التكافؤ لكل حرف المستخدم في الأجيال السابقة. تتكون هذه السجلات الفيزيائية من IBM من ثلاثة أجزاء أساسية: حقل "العدد" الذي يعمل كحقل تعريف، وحقل "المفتاح" الاختياري للمساعدة في البحث عن البيانات، وحقل "البيانات"؛ عمليًا، لم يكن لمعظم السجلات حقل "المفتاح"، ويُشار إلى ذلك بطول مفتاح يساوي صفرًا. يُطلق على بنية هذه الحقول الثلاثة اسم " تنسيق مسار CKD" للسجل.

استبدلت وحدة تخزين الأقراص IBM 3330 لعام 1970 رمز التحقق الدوري (CRC) في حقل البيانات لكل سجل برمز تصحيح الأخطاء (ECC) لتحسين سلامة البيانات من خلال اكتشاف معظم الأخطاء والسماح بتصحيح العديد منها. ^{[ 10 ]} وفي النهاية، أصبحت جميع حقول قطاعات القرص مزودة برموز تصحيح الأخطاء.

قبل ثمانينيات القرن العشرين، لم يكن هناك توحيد يُذكر لأحجام القطاعات؛ إذ كانت محركات الأقراص تحتوي على حد أقصى لعدد البتات لكل مسار، وكان مُصنّعو الأنظمة يُقسّمون المسار إلى قطاعات بأحجام مختلفة لتناسب أنظمة التشغيل والتطبيقات الخاصة بهم. أدى انتشار أجهزة الكمبيوتر الشخصية في بداية ثمانينيات القرن العشرين، وظهور واجهة IDE في أواخر الثمانينيات، إلى اعتماد حجم قطاع 512 بايت كمعيار صناعي لمحركات الأقراص الصلبة وأجهزة التخزين المماثلة. ^{[ 11 ]}

في سبعينيات القرن الماضي، أضافت شركة IBM أجهزة تخزين الوصول المباشر ذات بنية الكتل الثابتة (FBA DASDs) إلى خط إنتاجها من أجهزة CKD DASD. كانت أجهزة CKD DASD تدعم قطاعات متعددة ذات أطوال متغيرة، بينما كانت أجهزة IBM FBA DASD تدعم أحجام قطاعات تبلغ 512 أو 1024 أو 2048 أو 4096 بايت.

في عام 2000، بدأت منظمة التجارة الصناعية، الرابطة الدولية لمعدات ومواد محركات الأقراص ( IDEMA )، العمل على تحديد آليات التنفيذ والمعايير التي ستنظم تنسيقات أحجام القطاعات التي تتجاوز 512 بايت، وذلك لاستيعاب الزيادات المستقبلية في سعات تخزين البيانات. ^{[ 11 ]} وبحلول نهاية عام 2007، تحسبًا لمعيار IDEMA المستقبلي، بدأت سامسونج وتوشيبا شحن محركات أقراص صلبة بحجم 1.8 بوصة ذات قطاعات بحجم 4096 بايت. وفي عام 2010، أكملت IDEMA معيار التنسيق المتقدم لمحركات الأقراص ذات القطاعات بحجم 4096 بايت، ^{[ 11 ]} وحددت تاريخ الانتقال من قطاعات بحجم 512 إلى قطاعات بحجم 4096 بايت في يناير 2011 لجميع المصنّعين، ^{[ 12 ]} وسرعان ما انتشرت محركات الأقراص ذات التنسيق المتقدم.

إذا عُرِّف القطاع بأنه نقطة التقاء نصف قطر مع مسار، كما كان الحال في محركات الأقراص الصلبة القديمة ومعظم الأقراص المرنة، فإن القطاعات الخارجية للقرص تكون أطول فعليًا من تلك الأقرب إلى محور الدوران. ولأن كل قطاع لا يزال يحتوي على نفس عدد البايتات، فإن كثافة البتات في القطاعات الخارجية أقل من كثافة البتات في القطاعات الداخلية، مما يُعد استخدامًا غير فعال للسطح المغناطيسي. الحل هو تسجيل البتات في مناطق، حيث يُقسَّم القرص إلى مناطق، تضم كل منها عددًا صغيرًا من المسارات المتجاورة. ثم تُقسَّم كل منطقة إلى قطاعات بحيث يكون لكل قطاع حجم فعلي مماثل. ولأن المناطق الخارجية لها محيط أكبر من المناطق الداخلية، فإنها تُخصَّص لها قطاعات أكثر. يُعرف هذا باسم تسجيل البتات المُقسَّم إلى مناطق . ^{[ 16 ]}

من نتائج تسجيل بتات المنطقة أن عمليات القراءة والكتابة المتجاورة تكون أسرع بشكل ملحوظ على المسارات الخارجية (المقابلة لعناوين الكتل الأقل) مقارنة بالمسارات الداخلية، حيث تمر المزيد من البتات أسفل الرأس مع كل دورة؛ يمكن أن يكون هذا الفرق 25٪ أو أكثر.

في عام ١٩٩٨، تم تحديد حجم القطاع التقليدي البالغ ٥١٢ بايت كأحد عوائق زيادة السعة، التي كانت آنذاك تنمو بمعدل يتجاوز قانون مور . وقد أدى زيادة طول حقل البيانات من خلال تطبيق التنسيق المتقدم باستخدام قطاعات بحجم ٤٠٩٦ بايت إلى إزالة هذا العائق؛ إذ زاد من كفاءة مساحة سطح البيانات بنسبة تتراوح بين ٥ و١٣ بالمئة، مع تعزيز قوة تصحيح الأخطاء (ECC)، مما أتاح بدوره سعة أكبر. وقد تم توحيد هذا التنسيق من قبل اتحاد صناعي في عام ٢٠٠٥، وبحلول عام ٢٠١١ تم دمجه في جميع المنتجات الجديدة لجميع مصنعي محركات الأقراص الصلبة.